傅天航，劉松平，李樂剛

(中國航空制造技術研究院復合材料技術中心，北京 101300)

超聲檢測是一門綜合技術，集傳感器技術、信號處理技術、模式識別和圖像顯示等技術于一體，已廣泛應用于醫(yī)療、交通、航空航天、冶金等領域[1]。在超聲檢測技術眾多應用領域中，超聲無損檢測技術一直都是研究的熱點，是工業(yè)生產(chǎn)中保證產(chǎn)品質量與使用性能的重要手段。當今世界各發(fā)達國家都越來越重視超聲無損檢測技術的發(fā)展。國外無損檢測的文獻資料中，有關超聲無損檢測內容的比例約占45%[2]。

近些年，我國在飛機制造領域有了很大進展，突破性成果是碳纖維增強復合材料在飛機結構上大量應用，這也是衡量飛機先進程度的重要指標。與金屬結構相比，碳纖維增強復合材料(CFRC)的強度–質量比更高，可大大降低飛機質量[3–6]。具有不同檢測靈敏度的多種無損檢測方法可用于CFRC無損檢測與評價，如渦流[7]、X 射線[8–9]、超聲[10–14]、聲發(fā)射[15]、紅外熱成像[16]。對于CFRC，在眾多無損檢測方法中，超聲無損檢測方法是最有效和應用最廣的檢測方法[17–22]。超聲無損檢測是使用超聲換能器產(chǎn)生超聲波，超聲波將傳播并與介質相互作用，會因缺陷、分層或界面分離引起的材料密度變化而被反射，從而實現(xiàn)超聲無損檢測。

超聲無損檢測過程中，需要超聲檢測儀和超聲換能器匹配使用，匹配后的檢測能力直接影響CFRC 的內部質量和使用安全。因此，國內外針對超聲檢測儀和超聲換能器，發(fā)布了相應的標準用于測試檢測能力。國內如《JB／T 9214–2010 無損檢測A 型脈沖反射式超聲檢測系統(tǒng)工作性能測試方法》、《JJG 746 超聲探傷儀檢定規(guī)程》、《GB／T 18694–2002 無損檢測超聲檢驗探頭及其聲場的表征》、《GB／T 11345–2013 焊縫無損檢測超聲檢測技術、檢測等級和評定》等。國外如《ASTM E317-16不使用電子測量儀器評估超聲脈沖回波檢測儀器和系統(tǒng)性能特性的標準操作規(guī)程》等。

超聲縱向精度是指分辨超聲波傳播方向上兩個缺陷的能力。對于CFRC，內部為層結構，每層厚度約為0.13 mm，常見的分層、孔隙和夾雜等缺陷一般位于層與層之間。因此，對超聲檢測儀搭配超聲換能器使用時的超聲縱向精度有很高的要求，需能夠分辨兩個相鄰鋪層的缺陷，即超聲縱向精度能夠達到單層預浸料厚度。上述這些標準均使用專用的電子儀器或金屬試塊，但CFRC 在材料性質、成型工藝、成品制件狀態(tài)、幾何尺寸加工以及無損檢測要求等方面均與金屬材料有很大的不同，使用上述標準進行的測試無法代表所使用的超聲檢測儀和超聲換能器在CFRP 中的檢測能力。針對此問題，筆者提出了一種專門用于CFRC 超聲無損檢測儀縱向檢測精度的階梯式嵌入物的CFRC 試塊，并基于此CFRC 試塊，測了不同超聲檢測儀搭配不同超聲換能器情況下的超聲縱向精度和超聲脈沖周期數(shù)。

1 聲學檢測原理

1.1 聲學原理

超聲波是一種機械波，是機械振動在介質中的傳播，在超聲波傳播路徑上的質點，會在超聲波到達時在平衡位置附近振動。超聲波在固體中進行傳播時，會由于介質的粘滯性造成質點之間的內摩擦，從而使一部分聲能轉變?yōu)闊崮?，造成聲波的衰減；同時，超聲波在固體中傳播也滿足反射和透射原理。超聲無損檢測主要是基于超聲波在液體或固體中傳播時發(fā)生的反射和透射特性，通過測量介質中某一點的聲壓實現(xiàn)缺陷的檢測。

如圖1 所示，超聲波在入射到兩介質界面時，會產(chǎn)生反射和透射。

圖1 超聲波的入射、反射和折射

當入射角為θi時，入射聲壓沿x 方向的分量Pi為：

式(1)、(2)、(3)中，ω 為聲源簡諧振動的圓頻率；C1為介質1 中的聲速，C2為介質2 中的聲速。

由此可知兩介質分界面上反射聲壓和入射聲壓的之比rp為：

兩介質分界面上透射聲壓和入射聲壓之比tp為：

由式(4)、(5)可知，反射聲壓和透射聲壓僅與聲波的入射角度、透射角度以及介質1 的密度、介質2密度、介質1 中的聲速、介質2 中的聲速有關。

1.2 CFRC 聲學特性分析

CFRC 為層結構，缺陷延伸方向基本與表面平行。因此，在進行超聲無損檢測時，通常要求入射波垂直于CFRC 表面，即== 0。則式(4)、(5)可簡化為：

由此可知，反射聲壓強度和透射聲壓強度僅與兩種介質的密度和聲速有關。

CFRC 中常見的缺陷為分層，其密度與空氣接近，即ρ2≈340 m／s，c2≈1.29 kg／m3。CFRC 密度ρ1≈1.60 kg／m3，聲速c1≈3 000 m／s，則超聲波傳播到CFRP 與缺陷的界面時：

這表示入射聲波會反射大約83%。式(8)中的負號表示缺陷反射回波信號的相位與入射聲波相位相反。

因此，可在CFRC 內預埋密度和聲速與CFRC差異很大的異物，用于模擬CFRC 中分層缺陷，從而對超聲檢測儀及超聲換能器的檢測性能進行評估。

2 超聲縱向精度檢測方法

針對CFRC 的特點，設計了一種內嵌重疊預埋物的檢測試塊，用于超聲縱向精度的檢測，如圖2 所示。試塊長L=100 mm，寬W=80 mm，厚度H=5 mm。

圖2 檢測試塊設計圖

試塊中預埋了2 個部分重疊的圓形預埋物I1和I2，直徑D=10 mm，預埋物I1和I2在垂直于鋪層方向間隔層數(shù)n=1，預埋物I1和I2在平行于鋪層方向間隔Δd=D／2=5 mm。預埋物I1距試塊表面的距離。

根據(jù)上述CFRC 聲學檢測原理，移動超聲換能器至任意預埋物I1上方，使預埋物I1的反射回波信號R1幅值達到最大；調節(jié)超聲檢測儀增益，使預埋物I1的反射回波信號R1幅值達到滿屏刻度的80%；向I2方向緩慢移動超聲換能器，使預埋物I1和I2反射回波信號R1和R2幅值相近且達到最高，如圖3 所示。圖3 中，N 為試塊表面回波信號，F(xiàn) 為底面回波信號。

圖3 超聲縱向精度檢測方法

當預埋物I1反射回波信號R1在滿屏刻度20%位置與預埋物I2反射回波信號R2分離，視為能夠區(qū)分預埋物I1和I2。此時，若hl為CFRC 單層厚度，則超聲縱向精度AL為：

當預埋物I1反射回波信號R1在滿屏刻度20%位置沒有與預埋物I2反射回波信號R2分離，視為無法區(qū)分預埋物I1和I2，則超聲檢測儀及匹配使用的超聲換能器的超聲縱向精度無法達到一層預浸料厚度，不建議進行CFRC 的超聲無損檢測。

3 超聲縱向精度檢測條件

3.1 超聲檢測儀

使用的超聲檢測儀為中航復合材料有限責任公司生產(chǎn)的FCC–B–1 超聲檢測儀(如圖4 所示)和FCC–D–1 超聲檢測儀(如圖5 所示)，以及英國聲納公司生產(chǎn)的700M 超聲檢測儀(如圖6 所示)。其中，F(xiàn)CC–B–1 為模擬式超聲檢測儀，F(xiàn)CC–D–1 和700M 為數(shù)字式超聲檢測。

圖4 FCC–B–1 超聲檢測儀

圖5 FCC–D–1 超聲檢測儀

圖6 M 超聲檢測儀

3.2 超聲換能器

超聲換能器為中航復合材料有限責任公司生產(chǎn)的FJ–1 超聲換能器和FJ–1W 超聲換能器以及美國通用電氣公司生產(chǎn)的ALPHA 超聲換能器，見圖7。其中，F(xiàn)J–1 和ALPHA 頻率為5MHz，F(xiàn)J–1W 頻率為2.25MHz。

圖7 超聲換能器

3.3 檢測試塊

根據(jù)前述內容制備了檢測試塊，如圖8 所示。材料為碳纖維復合材料，單層厚度hl=0.13 mm。

圖8 檢測試塊

4 超聲縱向精度檢測與數(shù)據(jù)分析

4.1 超聲縱向精度檢測

(1) FCC–B–1 搭配FJ–1 檢測結果。

使用FCC–B–1 超聲檢測儀搭配FJ–1 超聲換能器的典型超聲A–顯示信號如圖9 所示。圖9 中，R1為預埋物I1的反射回波信號，R2為預埋物I2的反射回波信號。從圖9 可以看到，預埋物I1反射回波信號R1在滿屏刻度20%位置明顯與預埋物I2反射回波信號R2分離，根據(jù)式(9)可得FCC–B–1 超聲檢測儀搭配FJ–1 超聲換能器時的超聲縱向精度為：

圖9 FCC–B–1／FJ–1 典型超聲A–顯示信號

(2) FCC–B–1 搭配ALPHA 檢測結果。

使用FCC–B–1 超聲檢測儀搭配ALPHA 超聲換能器的典型超聲A–顯示信號如圖10 所示。圖10 中，R1為預埋物I1的反射回波信號，R2為預埋物I2的反射回波信號。從圖10 中可以看到，預埋物I1反射回波信號R1在滿屏刻度20%位置明顯與預埋物I2反射回波信號R2沒有分離，則FCC–B–1 超聲檢測儀搭配ALPHA 超聲換能器的超聲縱向精度沒有達到一層預浸料厚度。

圖10 FCC–B–1／ALPHA 典型超聲A–顯示信號

(3) FCC–B–1 搭配FJ–1W 檢測結果。

使用FCC–B–1 超聲檢測儀搭配FJ–1W 超聲換能器的典型超聲A–顯示信號如圖11 所示。

圖11 FCC–B–1／FJ–1W 典型超聲A–顯示信號

從圖11 可以看到，預埋物I1 反射回波信號R1已經(jīng)與預埋物I2反射回波信號R2基本重合，無法區(qū)分R1和R2，則FCC–B–1 超聲檢測儀搭配FJ–1W超聲換能器的超聲縱向精度沒有達到一層預浸料厚度。

(4) FCC–D–1 搭配FJ–1 檢測結果。

使用FCC–D–1 超聲檢測儀搭配FJ–1 超聲換能器的典型超聲A–顯示信號如圖12 所示。

圖12 FCC–D–1／FJ–1 典型超聲A–顯示信號

圖12 中，R1為預埋物I1的反射回波信號，R2為預埋物I2的反射回波信號。從圖12 可以看到，預埋物I1反射回波信號R1在滿屏刻度20%位置明顯與預埋物I2反射回波信號R2分離，根據(jù)式(9)可得FCC–D–1 超聲檢測儀搭配FJ–1 超聲換能器時的超聲縱向精度為：

(5) FCC–D–1 搭配ALPHA 檢測結果。

使用FCC–D–1 超聲檢測儀搭配ALPHA 超聲換能器的典型超聲A–顯示信號如圖13 所示。圖13 中，R1為預埋物I1的反射回波信號，R2為預埋物I2的反射回波信號。從圖13 中可以看到，預埋物I1反射回波信號R1在滿屏刻度20%位置明顯與預埋物I2反射回波信號R2分離，根據(jù)式(9)可得FCC–D–1 超聲檢測儀搭配ALPHA 超聲換能器時的超聲縱向精度為：

圖13 FCC–D–1／FJ–1 典型超聲A–顯示信號

(6) FCC–D–1 搭配FJ–1W 檢測結果。

使用FCC–D–1 超聲檢測儀搭配FJ–1W 超聲換能器的典型超聲A–顯示信號如圖14 所示。

圖14 FCC–D–1／FJ–1W 典型超聲A–顯示信號

從圖14 可看到，預埋物I1反射回波信號R1已經(jīng)與預埋物I2反射回波信號R2基本重合，無法區(qū)分R1和R2，F(xiàn)CC–D–1 超聲檢測儀搭配FJ–1W 超聲換能器的超聲縱向精度沒有達到一層預浸料厚度。

(7) 700M 搭配FJ–1 檢測結果。

使用700M 超聲檢測儀搭配FJ–1 超聲換能器的典型超聲A–顯示信號如圖15 所示。

圖15 M／FJ–1 典型超聲A–顯示信號

圖15 中，R1為預埋物I1的反射回波信號，R2為預埋物I2的反射回波信號。從圖15 可以看到，預埋物I1反射回波信號R1在滿屏刻度20%位置明顯與預埋物I2反射回波信號R2分離，根據(jù)式(9)可得700M 超聲檢測儀搭配FJ–1 超聲換能器時的超聲縱向精度為：

(8) 700M 搭配ALPHA 檢測結果。

使用700M 超聲檢測儀搭配ALPHA 超聲換能器的典型超聲A–顯示信號如圖16 所示。圖16 中，R1為預埋物I1的反射回波信號，R2為預埋物I2的反射回波信號。從圖16 中可以看到，預埋物I1反射回波信號R1在滿屏刻度20%位置明顯與預埋物I2反射回波信號R2分離，根據(jù)式(9)可得FCC–D–1超聲檢測儀搭配ALPHA 超聲換能器時的超聲縱向精度為：

圖16 M／ALPHA 典型超聲A–顯示信號

(9) 700M 搭配FJ–1W 檢測結果。

使用700M 超聲檢測儀搭配FJ–1W 超聲換能器的典型超聲A–顯示信號如圖17 所示。從圖17可以看到，預埋物I1反射回波信號R1已經(jīng)與預埋物I2反射回波信號R2基本重合，無法區(qū)分R1和R2，則700M 超聲檢測儀搭配FJ–1W 超聲換能器的超聲縱向精度沒有達到一層預浸料厚度。

圖17 M／FJ–1W 典型超聲A–顯示信號

4.2 數(shù)據(jù)分析

表1 是對不同超聲檢測儀搭配不同超聲換能器進行超聲縱向精度檢測結果的對比。從表1 可以看出，F(xiàn)J–1 超聲換能器具有0.13 mm 的超聲縱向檢測精度，并且搭配3 種型號的超聲檢測儀均能夠達到0.13 mm 的超聲縱向檢測精度。FJ–1W 超聲換能器搭配3 種超聲檢測儀的超聲縱向檢測精度均大于0.13 mm，無法有效區(qū)分相鄰兩層的缺陷。

表1 超聲縱向精度檢測結果對比 mm

觀察圖9～圖17 可以發(fā)現(xiàn)，超聲脈沖寬度也會影響超聲縱向檢測精度。超聲脈沖寬度需要通過專門的電子儀器進行測量，但超聲脈沖寬度最直觀的表現(xiàn)形式是超聲脈沖周期數(shù)。圖18 為通過分析圖9～圖11 得到的FCC–B–1 超聲檢測儀搭配不同超聲換能器的超聲脈沖周期數(shù)。

圖18 FCC–B–1 超聲脈沖周期數(shù)

圖19 為通過分析圖12～圖14 得到的FCC–D–1 超聲檢測儀搭配不同超聲換能器的超聲脈沖周期數(shù)。

圖19 FCC–D–1 超聲脈沖周期數(shù)

圖20 為通過分析圖15～圖17 得到的700M超聲檢測儀搭配不同超聲換能器的超聲脈沖周期數(shù)。

圖20 700M 超聲脈沖周期數(shù)

通過圖18～圖20 中的數(shù)據(jù)可知，F(xiàn)CC–B–1 和FCC–D–1 超聲檢測儀搭配FJ–1 超聲換能器具有很好的超聲脈沖周期數(shù)，能夠達到1 個周期，因此在延超聲波傳播方向具有很好的檢測能力。FJ–1W 超聲換能器搭配3 種超聲檢測儀的超聲脈沖周期數(shù)均在2 周以上，因此在延超聲波傳播方向的檢測能力較弱。這和超聲縱向檢測精度的試驗結果一致。

5 結論

針對CFRC 的材料特點和無損檢測要求，制備了一種專門用于超聲縱向精度檢測的試塊，并使用該檢測試塊，依據(jù)筆者提出的超聲縱向精度檢測方法，測試了FCC–B–1、FCC–D–1 和700M 超聲檢測儀搭配FJ–1、ALPHA 和FJ–1W 超聲換能器的超聲縱向精度。測試結果表明：

(1) FJ–1 超聲換能器搭配3 種超聲檢測儀均能達到0.13 mm 的超聲縱向精度和1 周的超聲脈沖周期數(shù)；

(2) FCC–D–1 和700M 超聲檢測儀搭配FJ–1和ALPHA 超聲換能器時能夠達到0.13 mm 的超聲縱向精度；

(3) FJ–1W 超聲換能器搭配3 種超聲檢測時均無法達到0.13 mm 的超聲縱向精度，并且超聲脈沖周期數(shù)均大于2 周，無法分辨兩相鄰層的缺陷；

(4)綜合超聲縱向精度的測試結果和超聲脈沖周期數(shù)的統(tǒng)計結果，F(xiàn)CC–D–1 超聲檢測儀搭配FJ–1 超聲換能器時具有最好的檢測性能。